波動伝搬とは何ですか？定義、方程式、およびそのタイプ

波は伝達する外乱です エネルギー 物質移動がごくわずかであるか、まったくない媒体または空間を介して。多くの異なるタイプのサービスを提供するさまざまなタイプのウェーブがあります。 電磁波 で広く使用されています エンジニアリングアプリケーション 。ワイヤレスなどのさまざまなアプリケーションで波形を使用します コミュニケーション 、レーダー、 宇宙探査 、海洋、電波航法、リモートセンシングなど…これらのアプリケーションの中には、波を送信するために誘導媒体を使用するものもあれば、非誘導媒体を使用するものもあります。この記事では、媒体の特性が波の伝播にどのように影響するか、および波が伝播するさまざまな方法について説明します。

波動伝搬とは何ですか？ –定義

電磁波は、流れる電流からの放射電力によって生成されます 運転者 。指揮者では、 発電電力 脱出して自由空間に伝播する 電磁波 、これは、時間とともに変化する電界、磁界、および伝搬方向が互いに直交しています。

から放射 等方性送信機、 これらの波はさまざまな経路を通過して受信機に到達します。波が送信機から受信機に到達するまでにたどる経路は、 波動伝搬。

電磁（EM）または電波伝搬

いつ 等方性ラジエーター に使用されます トランスミッション EM波の場合、EM波をすべての方向に均一かつ均等に放射するため、図に示すように球面波面が得られます。ここで、球の中心はラジエーターであり、球の半径はRです。明らかに、球の表面にある距離Rのすべての点は、等しい電力密度を持っています。

球面波面

E波は光速で自由空間を伝わります。 c =しかしEM 波は別の媒体を通過して速度が低下します。自由空間以外の媒体におけるEM波の速度は、次の式で与えられます。

ここで、cは光速、は媒体の比誘電率です。

EM波は、媒体中の原子による波エネルギーの吸収と再放出によってエネルギーを伝達します。原子は波力エネルギーを吸収し、振動を受け、同じ周波数のEMの再放出によってエネルギーを通過させます。媒体の光学密度はEM波の伝搬に影響を与えます。

波動伝搬方程式

波は受信機に到達するまでに多くのルートをたどります。送信と受信の高さなど、多くのパラメータが波がたどる経路を決定します アンテナ 、送信端での発射角度、動作周波数 分極 等…

波の特性の多くは、反射、屈折、回折などの伝搬中に変更されます。これは、導電率、誘電率、透磁率、障害物の特性など、伝搬する媒体のパラメータの変動によるものです。

一般に、自由空間で電力が放射されると、波エネルギーは媒体内の物体によって放射または吸収される可能性があります。したがって、媒体を介して波を送信する際には、波に発生する可能性のある損失を計算することが不可欠です。この損失は呼ばれます 無線伝送損失 、に基づいています 光学の逆二乗の法則 そして、受信電力に対する放射電力の比率として計算されます。

フリース自由宇宙無線回路

等方性送信機を使用すると、電力が均等に分配されることがわかっているため、平均電力は放射電力で次のように表すことができます。

テストアンテナの指向性は次の式で与えられます。

受信アンテナは、電波から発生したすべての電力を損失なく受信するとします。負荷が一致した状態で受信アンテナが受信する最大電力とします。が受信アンテナの有効口径である場合、次のように書くことができます。

一般的に、指向性と効果的 絞り アンテナの面積は次のように関連しています

受信アンテナの指向性とします。次に、

（3）の値を代入すると、

この方程式は、自由空間伝搬の基本方程式としても知られています。 新鮮な 自由空間方程式。要因 （（ λ/4πr）^二 信号の損失を示す自由空間パス損失と呼ばれます。経路損失は次のように表すことができます

式（6）はdBで次のように表すことができます。

受信電力は次のように表すことができます

これは、単純化すると、次のように与えられます。

ここで、距離rはキロメートルで表され、周波​​数fはで表されます。 MHz 。これは、波源から伝播するときに発生する波の広がりによる損失を示しています。

波動伝搬の種類

地球の環境を通過する電磁波や電波の伝搬は、それ自体の性質だけでなく、環境の性質にも依存します。送信された波が受信機に到達するためのさまざまな伝搬経路があります。これらのモードはすべて、動作周波数、送信機と受信機の間の距離などに依存します…

波動伝搬

• 地表近くを伝播する波は 地上波。 このタイプの伝搬は、送信アンテナと受信アンテナの両方が地表に閉じている場合に可能です。
• 反射せずに伝わる地上波は、直接波または宇宙波と呼ばれます。
• 地表からの反射によって受信アンテナに伝播する地上波は、地上反射波または表面波と呼ばれます。
• 上層大気の電離による散乱や反射により受信アンテナに到達する波をスカイウェーブと呼びます。
• アンテナに到達する前に対流圏で反射または散乱される波は、対流圏波と呼ばれます。

地上波または表面波の伝搬

地波は地表に沿って伝わります。これらの波は垂直偏波です。したがって、垂直アンテナはこれらの波に役立ちます。水平偏波が地波として伝播すると、地球の導電率により、波の電界が短絡します。

地上波が送信アンテナから離れるにつれて、減衰します。この損失を最小限に抑えるには、伝送経路が高い導電率で地面の上にある必要があります。この条件に関しては、海水が最良の伝導体であるはずですが、池、砂質または岩石質の土壌に大量の水を貯蔵すると最大の損失が見られます。

したがって、地上波伝搬を使用する高出力低周波送信機は、好ましくは海の前線に配置されます。接地損失は周波数とともに急速に増加するため、この伝搬は実際には周波数2MHzまでの信号にのみ使用されます。

中波放送の場合、地上波が好ましいが、いくらかのエネルギーが電離層に伝達される。しかし、日中はエネルギーが電離層に完全に吸収され、夜間は電離層がエネルギーを地球に反射します。したがって、日中に受信されるすべての放送信号は、地上波のみによるものです。

地上波伝搬の最大範囲は、周波数だけでなく送信機の電力にも依存します。地上波が地表を通過するとき、それらは表面波とも呼ばれます。

SkyWave伝搬

中周波数および高周波数のすべての長い無線通信は、スカイウェーブ伝搬を使用して実行されます。このモードでは、地球の大気の上部にあるイオン化された領域からのEM波の反射が、よ​​り長い距離への波の伝達に使用されます。

大気のこの部分は電離層と呼ばれ、高さは約70〜400kmです。周波数が2〜30 MHzの場合、電離層はEM波を反射して戻します。したがって、この伝搬モードは短波伝搬とも呼ばれます。

スカイウェーブ伝搬ポイントツーポイント通信を長距離で使用することが可能です。スカイウェーブの多重反射により、非常に長距離のグローバル通信が可能です。

しかし、欠点は、受信ポイントに到達するために多数の異なるパスをたどる多数の波のために、受信機で受信された信号がフェードしていることです。

宇宙波の伝搬

30 MHz〜300 MHzの周波数のEM波を扱う場合、空間波の伝搬が役立ちます。ここでのプロパティ 対流圏 送信に使用されます。

宇宙波伝搬モードで動作している場合、波は送信機から直接受信アンテナに到達するか、地表から約16km上にある対流圏からの反射後に到達します。したがって、宇宙波モードは2つで構成されます コンポーネント .i.e。 直接波 そして 間接波 。

これらのコンポーネントは同じ位相で同時に送信されますが、パスの長さが異なると、受信側で位相内に到達したり、位相がずれたりする場合があります。したがって、受信側の信号強度は、直接波と間接波の強度のベクトル和です。

スペース 波動伝搬 モードは、非常に高い周波数の伝搬に使用されます。

短波放送に使用される伝搬はどれか

短波放送は通常、1.7〜30MHzの周波数範囲で行われます。上で見たように、この範囲の周波数はスカイウェーブ伝搬モードを介して伝搬されます。

電磁波は、周波数や波長に応じて、さまざまな材料やデバイスに異なる影響を与えます。したがって、のさまざまな部分 電磁スペクトル さまざまな用途に利用されています。興味をそそる波動伝搬はどれですか？どの伝搬モードを適用するのが難しいと思いますか。